基于機械手臂的葉菜有序收獲機械設計與實現

吳玉娟+++劉永華

摘要：為了實現對葉菜快速自動收獲，綜合運用嵌入式軟硬件開發技術，選用Arduino IDE作為軟件設計開發平臺，研制開發了一種集采摘、自動收集等多種功能于一體的葉菜有序收獲裝置，它由控制模塊、采摘模塊、收集模塊等組成，能夠實現對整棵葉菜的收割與采集，并且擺放有序，便于挑選整理，對于提高葉菜收獲生產效率具有重要意義。

關鍵詞：葉菜；有序收獲；收獲機械

中圖分類號： S225.92文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0353-03

[HJ1.3mm]

收稿日期：2016-10-14

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（14）2110]；江蘇省農業三新工程（編號：SXGC[2016]305）；江蘇農林職業技術學院項目（編號：2013td06）。

作者簡介：吳玉娟（1981—），女，江蘇南京人，碩士，講師，主要從事機電綜合研究與開發。E-mail：623255445@qq.com。

中國是蔬菜生產大國，但蔬菜生產機械化水平卻相對落后，其中葉菜類蔬菜收獲機械裝備在我國幾乎還是空白，隨著現代農業技術的發展，蔬菜機械化收獲技術在我國越來越受到重視。歐美等西方發達國家蔬菜種植以大面積農田種植為主，開發應用的蔬菜收獲機械主要是大中型機械設備，發達國家收獲機械的割臺較為單一，不適合我國多品種的葉菜形態，且單臺收獲機械重量重、面積大，容易造成對作物的壓踏，影響蔬菜作物的后續生長和收獲效率，直接引進應用價值不大。通過資料查詢，國內尚無對整棵葉菜的收割與采集、擺放有序整理以及后期銷售成型的葉菜收獲機械；因此，研制開發一種基于機械手臂的葉菜有序收獲裝置，對于提高葉菜收采效率和降低蔬菜生產成本具有重要意義[1]。

1整機結構及工作原理

1.1整機結構

基于機械手臂的葉菜有序收獲裝置整機結構主要包括收獲機械本體、抓取裝置、控制系統等3大部分組成。其中機械本體通過專用控制器與抓取裝置、切割裝置、傳送裝置、裝箱裝置以及顯示裝置相連接。機械本體的前端上方安裝有抓取裝置，前端下方安裝有切割裝置，中部上方安裝有傳送裝置，傳輸裝置末端下方設有裝箱裝置，裝箱裝置安裝在收獲機械本體上，收獲機械本體結構見圖1[2-3]。

1.2工作原理

通過收獲機械本體前端的傳感器檢測前方是否有葉菜，并將檢測信號傳至控制器，如果無葉菜，控制器將停止機械手抓取和切割裝置切割等動作，并將此信號反饋給顯示裝置顯示；如果前方有葉菜，控制器驅動機械手臂到設置的位置，控制機械手抓取葉菜，控制器控制機械手臂向后翻轉至傳送帶上方，并使葉菜莖稈與傳送帶運動方向垂直，同時松開機械

手[CM（25]，葉菜水平落在傳送裝置上，然后控制器控制機械手臂復[CM）]

[FK（W14][TPWYJ1.tif]

位。當傳送帶翻轉至背面時，傳送帶上的葉菜掉入下方菜籃里。菜籃通過下方齒輪齒條傳動，進行前后移動（移動方向與傳送帶移動方向同軸），可實現葉菜的有序裝載。

1.3性能特點

（1）機械手夾持葉菜位置可進行調整，可達到機械手最佳夾持葉菜位置。（2）切割裝置位置可上下調整，根據觸摸屏所輸入數據，實現切割裝置自動調整上下位置，實現最佳切割位置。（3）當切割完成，機械手夾持葉菜翻轉至傳送帶上，使莖稈與傳送帶運動方向垂直，實現蔬菜采摘有序傳送擺放。（4）當傳送帶翻轉至背面時，傳送帶上的葉菜掉入下方菜籃里。（5）菜籃通過下方齒輪齒條傳動，進行前后移動（移動方向與傳送帶移動方向同軸），可實現葉菜的有序裝載。（6）用戶還可通過觸摸屏的用戶界面，輸入機械手抓取葉菜初始位置數據，實現抓取葉菜最佳位置。（7）觸摸屏設計界面友好，收獲機械全程狀態及相關數據實時顯示，并自動控制，能夠實現不同品種、不同長勢葉菜類蔬菜有序收獲。

基于機械手臂的葉菜有序收獲機械裝置，將滿足廣大蔬菜種植戶提高收獲勞動效率的迫切需要，對于解決蔬菜收獲難題具有重要意義。

[BT1#]2葉菜有序收獲裝置工作流程設計

根據葉菜通過顯示裝置調整機械手臂抓取位置、切割裝置的切割位置、平板速度、傳送帶速度、菜籃重量等參數，也可選擇控制器保存的歷史參數。

通過收獲機械本體前端的光電傳感器檢測前方是否有葉菜，并將檢測信號傳至控制器，如果無葉菜，控制器將停止機械手抓取和切割裝置切割等動作，并將此信號反饋給顯示裝置顯示；如果前方有葉菜，控制器驅動機械手臂到設置的位置，控制機械手抓取葉菜；當未檢測到葉菜持續時間超過 10 min 后，控制器自動停機斷電。

控制器控制機械手臂向后翻轉至傳送帶上方，并使葉菜莖稈與傳送帶運動方向垂直，同時松開機械手，葉菜水平落在傳送裝置上，然后控制器控制機械手臂復位。

通過傳送帶將葉菜傳送到菜籃中，菜籃反復由前向后和由后向前移動，即菜籃由前向后移動，當移動到達后限位時，再由后向前移動，當移動受到達到前限位時，再由前向后移動，如此反復，直到菜籃質量達到預設質量，從而實現葉菜的有序擺放；在菜籃移動過程中，平板下方的質量傳感器不斷將檢查到的質量信號傳輸給控制器，控制器使顯示裝置顯示質量信息，并判斷菜籃的質量是否達到預設質量值，如果達到發出信號通知用戶[4]。收獲機械工作流程見圖2。

3有序收獲機械控制模塊設計與實現

為了使有序收獲機械裝置能夠自動收獲不同尺寸的蔬菜類型，設計開發有序收獲機構控制裝置傳感器控制模塊軟件，完成了控制模塊研發。

3.1控制模塊硬件設計

本裝置采用Arduino作為控制模塊的開發平臺，并對其進行相應的改造。PDA作為裝置的控制器及無線網絡的協調器，需要內嵌1個無線通信模塊，以實現與傳感器節點的無線組網（圖3）。我們對PDA硬件結構進行改造，以便能夠使用RS232串口與無線通信模塊進行互聯互通。無線通信模塊接收傳感器節點集數據，然后自動傳輸至PDA處理，從而在PDA上顯示和存儲[5-6]?？刂颇K硬件設計見圖4。

3.2控制模塊件設計

為了設計開發實用的有序收獲機械控制程序，選用了便捷[CM（25]靈活、方便上手的開源電子原型平臺Arduino作為軟件設[CM）]

[FK（W8][TPWYJ3.tif]

計的開發平臺，它能夠支持在Windows、Macintosh OSX、Linux等3大主流操作系統上運行。在控制模塊軟件系統的設計過程中，按照軟件工程化的設計理念，嚴格遵循需求分析、概要設計、詳細設計、系統測試的工程化設計理念，研制開發了控制模塊軟件系統。其中收獲葉菜傳感器模塊數據采集工作流程為傳感器上電之后初始化，然后打開定時器定時，時鐘溢出產生中斷，可以通過模擬開關ADG704依次選通相應的通道進[CM（25]行葉菜尺寸數據采集；AD采集包括初始化AD轉換器、啟[CM）]

[TPWYJ4.tif]

動AD轉換、判斷AD轉換狀態，最后讀取AD轉換后數值。為了減小誤差，每個通道重復采集后取平均值，然后選通下一個通道，直到采集完所有通道的信號。當所有通道信號都采集完畢后，將數據傳輸給控制器，即PDA。完成之后再次打開定時器定時，進行下一輪測量、采集[7-8]。傳感器軟件設計流程見圖5。

[FK（W18][TPWYJ5.tif]

在此基礎上，根據軟件系統對控制收獲機械臂偏移數據的采集結果，運用Matlab仿真分析軟件對其結果數據進行了仿真分析，仿真分析結果見圖6。

[TPWYJ6.tif；S+3mm]

軟件系統的編程代碼如下：

pinMode（12，INPUT）；

Serial.begin（9600）；

myshow=0；

mycomflag=2；//機械臂默認上電狀態為：2自動運行

myservoA.attach（3）；//控制腰部（A）的端口是3號

myservoB.attach（5）；//控制大臂（B）的端口是5號

myservoC.attach（6）；//控制小臂（C）的端口是6號

myservoD.attach（9）；//控制小臂旋轉（D）的端口是9號

myservoE.attach（10）；//控制腕部（E）的端口是10號

myservoF.attach（11）；//控制腕部旋轉（F）的端口是11號

myservoG.attach（8）；//kongzhidao pian——2

myservoA.write（10）；//初始5點鐘方向10-110

myservoB.write（10）；//越小越陡10-30

delay（1000）；

myservoC.write（130）；//

myservoD.write（90）；

myservoE.write（10）。

4結論

基于嵌入式軟硬件開發技術、電子技術、通信技術，研制開發了一種集采摘、自動收集、包扎等多種功能于一體的葉菜有序收獲裝置。對完成的葉菜有序收獲裝置進行初步試驗，獲得了以下結論：（1）機械手夾持葉菜位置要能夠滿足收獲不同尺寸葉菜需求進行調整，并且必須能夠依托傳感器自動獲取相關數據。（2）切割裝置位置要能夠實現精準上下自動調整，當切割完成，機械手夾持葉菜翻轉至傳送帶上，使莖稈與傳送帶運動方向垂直，實現蔬菜采摘有序傳送擺放。（3）當傳送帶翻轉至背面時，傳送帶上的葉菜掉入下方菜籃里，否則不利于打包。

[HS2][HT8.5H]參考文獻：[HT8.SS]

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